无人驾驶汽车的“眼睛” ──兼谈导航技术

前言

看过007系列电影的人总会羡慕男主角詹姆斯·邦德的那辆无人驾驶汽车，无人驾驶汽车，其实为智能汽车，也可以称之为轮式移动机器人。智能系统，主要由三部分组成：导航传感器系统、主控计算机系统和自动驾驶仪系统。车载主控计算机和相应的路径规划软件根据导航传感器系统(相当于驾驶员的眼睛)提供的道路信息、车前情况以及自身的行驶状态，决定继续前进还是换道准备超车，相当于驾驶员的大脑;自动驾驶控制软件按照需要跟踪的路径和汽车行驶动力学，向方向盘、油门和刹车控制器发出动作指令，操纵汽车按规划好的路径前进，起到驾驶员的手和脚的作用，从而实现无人驾驶。

发展史

发达国家从20世纪70年代开始进行无人驾驶汽车研究，目前在可行性和实用性方面，美国和德国走在前列。我国在无人驾驶汽车的开发方面要比国外稍晚。国防科技大学从20世纪80年代开始进行该项技术研究。1989年，我国首辆智能小车在国防科技大学诞生。由上海和欧盟科学家合作的中国城市交通中的无人驾驶技术(CyberC3)项目取得了阶段性成果，首辆城市无人驾驶车在上海交通大学研制成功，准备在2010年世博会上一展身手。笔者查阅了关于无人驾驶汽车的导航传感器系统这方面的许多资料，现拿来与大家共飨。

导航技术是无人驾驶汽车行驶的基础，是“眼睛”。目前常用的技术包括磁导航和视觉导航等。

一、磁导航技术

磁导航是目前最成熟可靠的方案，现大多数均采用这种导航技术。在道路上埋设一定的导航设备(如磁钉或电线)，通过变换磁极朝向进行编码，可以向车辆传输道路特性信息，诸如位置、方向、曲率半径、下一个道路出口位置等信息，从而为汽车指明去向。例如，荷兰阿姆斯特丹国际机场和鹿特丹的Park　Shuttle系统，上海交通大学的Cyber　C3系统，都采用了此技术，在无轨自动伸缩门也有应用。磁导航最大的优点是不受天气等自然条件的影响，即使风沙或大雪埋没路面也一样有效。但此系统实施过程比较繁琐，且不易维护，变更运营线路需重新埋设导航设备。

二、视觉导航技术

视觉导航主要技术是视觉传感器(CCD摄像机，红外摄像机)，利用传感器获取汽车相对于环境内的参照物的位置关系(1米-500米)信息。CCD摄像机是首选的 “眼睛”。其核心为电荷藕合器件图像传感器CCD(Charge Coupled Device)，它使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存。CCD上植入许多微小光敏物质，通常以百万像素为单位。当CCD表面受到光线照射时，每个光敏物质会将电荷反映在组件上，所有的光敏物质所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。由其制作的摄像机具有灵敏度高、抗强光、畸变小、体积小、寿命长、抗震动等优点。一般为了使拍摄到得景象和肉眼看到的相同，摄像机在镜头和CCD之间加装了一个红外滤光镜，其作用就是阻挡红外线进入CCD,让CCD只能感应到可见光，这样就使数码摄像机拍摄到的影像和我们肉眼看到的影像相一致了。此摄像机在黑暗及夜间就不易工作了，这样无人汽车便成了“盲车”。

为解决此问题，需要为车加上“夜眼”──红外摄像机。红外摄像机会发出人们肉眼看不到的红外光线去照亮被拍摄的物体，红外线经物体反射后进入镜头进行成像，拍摄到了由红外线反射所成的影像，即此时可拍摄到黑暗环境下肉眼看不到的影像。从而使无人驾驶汽车可在夜间安全行驶。目前大多数的红外摄像机都采用LED红外发光二级管作为红外摄像机的主要发光材料。红外摄像机具有夜视距离远、隐蔽性强、性能稳定等突出优势，多用在监视系统中。目前两者特性兼备的摄像机以广泛应用。

视觉导航的优点是不需要对现有的道路结构做变化，并且在混合交通中，也可使用;其缺点为，当风沙、大雾等自然因素致使能见度过低或路面上的白色标线不清晰时，导航系统会失效。但由于视觉导航对基础设施的要求很低，被公认为是最有前景的定位方法。

结语

无人驾驶汽车是未来汽车发展的方向，人类在不久的将来会用上智能型无人驾驶汽车。无人驾驶汽车在交通领域的应用，从根本上改变了传统车辆的控制方式，可大大提高交通系统的效率和安全性。随着高科技的发展，我国无人驾驶车辆技术将会不断发展，其功能也将更完善，学科内容将会更丰富，产业化前景更美好。

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